Egycellás boost átalakító áramkör éremcellával - 5v kimenet

Az akkumulátorcellák a hordozható elektronika áramellátásának leggyakrabban használt energiaforrásai. Legyen szó egyszerű ébresztőóráról, IoT-érzékelő csomópontról vagy összetett mobiltelefonról, mindent akkumulátorok működtetnek. A legtöbb esetben ezeknek a hordozható eszközöknek kis formátumúnak kell lenniük (csomagméret), és ezért egyetlen cellás akkumulátorral működnek, mint például a népszerű CR2032 lítium cella vagy a többi 3,7 V lítium polimer vagy 18650 cella. Ezek a cellák nagy energiájúak a méretük miatt, de e cellák közös hátránya az üzemi feszültség. Egy tipikus lítium akkumulátor névleges feszültsége 3,7 V, de ez a feszültség teljesen lemerülve akár 2,8 V-os, teljesen feltöltve pedig akár 4,2 V-os is lemehet, ami nem túl kívánatos az elektronikai konstrukcióink számára, amelyek vagy szabályozott V vagy 5V, mint üzemi feszültség.

Ez szükségessé teszi egy erősítő átalakítót, amely ezt a változót 2,8 V-ról 4,2 V-ra felveszi bemeneti feszültségként, és 3,3 V vagy 5 V állandóra állíthatja. Szerencsére létezik egy BL8530 nevű IC, amely pontosan ugyanezt csinálja nagyon minimális külső komponensekkel. Tehát ebben a projektben egy alacsony költségű, 5 V-os emlékeztető áramkört építünk, amely állandó szabályozott 5 V kimeneti feszültséget biztosít egy CR2032 érme cellából; Ehhez a boost konverterhez kompakt nyomtatott áramköri lapot is tervezünk, hogy az minden jövőbeni hordozható projektünkben felhasználható legyen. A boost konverter maximális kimeneti árama 200mA leszami elég jó az alapvető mikrovezérlők és érzékelők táplálásához. Ennek az áramkörnek még egy előnye, hogy ha a projektjének szabályozott 3,3 V-ra van szüksége 5 V helyett, akkor ugyanazon áramkör használható a 3,3 V-os szabályozáshoz is csak egy alkatrész cseréjével. Ez az áramkör Power Bankként is működhet olyan kis táblák bekapcsolására, mint az Arduino, az STM32, az MSP430 stb. Korábban hasonló típusú boost konvertert építettünk lítium akkumulátorral egy mobiltelefon töltésére.

Szükséges anyagok

• BL8530-5V Booster IC (SOT89)
• 47uH induktivitás (5mm SMD)
• SS14 dióda (SMD)
• 1000uF 16V tantál kondenzátor (SMD)
• Érme cellatartó
• USB női csatlakozó

Az egycellás Boost Converter tervezési szempontjai

Az egycellás Boost átalakító tervezési követelményei eltérnek a szokásos Boost átalakítóétól. Itt ugyanis az akkumulátor (érmeelem) energiáját kimeneti feszültséggé fokozzák, hogy készülékünk működhessen. Ezért ügyelni kell arra, hogy az emlékeztető áramkör az akkumulátor maximumát használja ki nagy hatékonysággal, hogy a készüléket a lehető leghosszabb ideig bekapcsolva tartsa. Amikor kiválasztja a Booster IC-t a tervei szerint, vegye figyelembe a következő négy paramétert. Elolvashatja a Boost Regulator Design cikket is, hogy többet tudjon meg róla.

Indítási feszültség: Ez a minimális szükséges bemeneti feszültség az akkumulátortól a boost konverter működésének megkezdéséhez. Amikor bekapcsolja a boost konvertert, az akkumulátornak legalább képesnek kell lennie arra, hogy biztosítsa ezt az indítási feszültséget az emlékeztető működéséhez. A mi tervezésünkben a szükséges indítási feszültség 0,8 V, ami a teljes kisütésű éremcella feszültség alatt van.

Tartási feszültség: Miután a készüléket táplálja a töltőáramkörrel, az akkumulátor feszültsége csökkenni kezd, mivel áramot ad. Azt a feszültséget, amelyig az emlékeztető IC megtartja a teljesítményét, tartási feszültségnek nevezzük. Ezen feszültség alatt az IC leáll, és nem kapunk kimeneti feszültséget. Vegye figyelembe, hogy a rögzítési feszültség mindig kisebb lesz, mint az indítási feszültség. Ez azt jelenti, hogy az IC-nek több feszültségre lesz szüksége a működés megkezdéséhez, és üzemállapota alatt az akkumulátor lemerülhet. Az áramkörünk tartási feszültsége 0,7 V.

Nyugalmi áram: Nyomáscsökkenésnek nevezzük azt az árammennyiséget, amelyet a nyomásfokozó áramkörünk rajzol (pazarol) akkor is, ha a kimeneti oldalon nincs csatlakoztatva terhelés. Ennek az értéknek a lehető legkisebbnek kell lennie, IC-nk esetében a nyugalmi áram értéke 4uA és 7uA között van. Nagyon fontos, hogy ez az érték alacsony vagy nulla legyen, ha az eszközt hosszú ideig nem fogják terheléshez csatlakoztatni.

Ellenállás: Minden boost átalakító áramkör olyan kapcsolóeszközt fog tartalmazni, mint a MOSFET vagy más FET. Ha átalakító IC-t használunk, akkor ez a kapcsoló eszköz be lesz ágyazva az IC-be. Fontos, hogy ennek a kapcsolónak nagyon alacsony az ellenállása. Például itt az IC BL8530 belső kapcsolója 0,4Ω-os ellenállással rendelkezik, ami megfelelő érték. Ez az ellenállás a rajta keresztüli áram alapján (Ohm törvény) csökkenti a kapcsoló feszültségét, ezáltal csökken a modul hatékonysága.

A feszültség növelésének számos módja van, közülük néhányat itt bemutatunk a töltőáramkör-sorozatunkban.

Kördiagramm

Az 5V emlékeztető áramkör teljes kapcsolási rajza az alábbiakban látható, a vázlatot az EasyEDA segítségével rajzoltuk meg.

Mint látható, az áramkör nagyon minimális alkatrészeket igényel, mivel a kemény munkát a BL8530 IC hajtja. A BL8530 IC számos változata létezik, az itt használt „BL8530-50”, ahol 50 az 5 V kimeneti feszültséget jelenti. Hasonlóképpen az IC BL8530-33 kimeneti feszültsége 3,3 V lesz, így ennek az IC-nek a cseréjével megszerezhetjük a szükséges kimeneti feszültséget. Ennek az IC-nek a 2.5V, 3V, 4.2V, 5V, sőt 6V-os változatai is elérhetők a piacon. Ebben az oktatóanyagban az 5V verzióra fogunk koncentrálni. Az IC működéséhez csak egy kondenzátor, induktor és dióda szükséges, nézzük meg, hogyan válasszuk ki az alkatrészeket.

Összetevők kiválasztása

Induktor: Ennek az IC-nek a rendelkezésre álló induktivitási érték a 3uH és 1mH közötti forma. Az induktor magas értékének használata nagy kimeneti áramot és nagy hatékonyságot biztosít. Hátránya azonban, hogy a működéshez nagy bemeneti feszültségre van szükség a cellától, így magas induktivitási érték használata nem biztos, hogy a boost áramkört működni fogja, amíg az akkumulátor teljesen lemerül. Ezért kompromisszumot kell kötni a kimeneti áram és a minimális bemenő áram között a kimenet kialakításakor. Itt 47uH értéket használtam, mivel nagy kimeneti áramra van szükségem, csökkentheti ezt az értéket, ha a terhelési áram kisebb lesz a tervezéséhez. Fontos továbbá, hogy alacsony ESR értékű induktivitást válasszon a tervezés magas hatékonysága érdekében.

Kimeneti kondenzátor: A kondenzátor megengedett értéke 47uF és 220uF között van. Ennek a kimeneti kondenzátornak a feladata a kimeneti hullámok szűrése. Ennek értékét a terhelés jellege alapján kell eldönteni. Ha ez induktív terhelés, akkor nagy értékű kondenzátor ajánlott rezisztív terhelésekhez, például mikrovezérlőkhöz, vagy a legtöbb érzékelő alacsony értékű kondenzátora működik. A nagy értékű kondenzátor használatának hátránya a megnövekedett költség, és lassítja a rendszert is. Itt 100uF tantál kondenzátort használtam, mivel a tantál kondenzátorok jobban szabályozzák a hullámosságot, mint a kerámia kondenzátorok.

Dióda: Az egyetlen szempont a dióda esetében az, hogy nagyon előre kell esnie az alacsony feszültségesésnek. Ismeretes, hogy a Schottky diódák alacsony előremenő feszültségeséssel rendelkeznek, mint a normál egyenirányító diódák. Ezért olyan SS14D SMD diódát használtunk, amelynek az előrefeszültség csökkenése kisebb, mint 0,2 V.

Bemeneti kondenzátor: A kimeneti kondenzátorhoz hasonlóan egy bemeneti kondenzátorral is szabályozható a hullámfeszültség, mielőtt belépne a boost áramkörbe. De itt, mivel feszültségforrásként akkumulátort használunk, a hullámzás vezérléséhez nem lesz szükségünk bemeneti kondenzátorra. Mivel az elemek természetüknél fogva tiszta egyenfeszültséget biztosítanak, anélkül, hogy ezekben hullámzás lenne.

A többi alkatrész csak kiegészítő. Az elemtartót az érme cella tartására használják, és az UCB port az USB-kábelek közvetlen csatlakoztatására szolgál az erősítő modulunkhoz, így könnyen táplálhatjuk az olyan általános fejlesztői táblákat, mint az Arduino, az ESP8266, az ESP32 stb.

NYÁK tervezés és gyártás az Easy EDA segítségével

Most, hogy a Coin Cell Boost Converter áramkör készen áll, itt az ideje, hogy elkészítse. Mivel az összes alkatrész itt csak SMD csomagban érhető el, gyártanom kellett egy áramköri lapot. Tehát, mint mindig, az EDA-t, az EasyEDA nevű eszközt is használtuk a NYÁK gyártásához, mert nagyon kényelmes használni, mivel jó a lábnyomok gyűjteménye, és nyílt forráskódú.

A NYÁK megtervezése után megrendelhetjük a NYÁK-mintákat olcsó PCB-gyártási szolgáltatásaikkal. Komponens beszerzési szolgáltatást is kínálnak, ahol nagy mennyiségű elektronikus alkatrész áll rendelkezésükre, és a felhasználók megrendelhetik a szükséges alkatrészeket a NYÁK megrendeléssel együtt.

Az áramkörök és a NYÁK-k tervezése közben az áramköri és a NYÁK-terveket is nyilvánossá teheti, hogy más felhasználók másolhassák vagy szerkeszthessék azokat, és kihasználhassák munkáját, mi is az egész áramkör- és NYÁK-elrendezésünket nyilvánossá tettük ehhez az áramkörhöz, ellenőrizze az alábbi link:

easyeda.com/CircuitDigest/Single-Cell-Boost-Converter

Megtekintheti a NYÁK bármely rétegét (felső, alsó, felső tej, alsó tej stb.), Ha kiválasztja a réteget a „Rétegek” ablakból. A közelmúltban bevezették a 3D nézet opciót is, így megtekintheti a többsejtű feszültségmérő NYÁK-t is, hogy hogyan fog kinézni a gyártás az EasyEDA 3D nézet gombjával:

Minták kiszámítása és megrendelése online

Az 5V-os érmeelem- emlékeztető áramkör tervezésének befejezése után megrendelheti a NYÁK-t a JLCPCB.com oldalon keresztül. A NYÁK megrendeléséhez a JLCPCB-től Gerber File szükséges. A NYÁK-ból származó Gerber fájlok letöltéséhez kattintson az EasyEDA szerkesztő oldalán a Gyártási fájl előállítása gombra, majd töltse le onnan a Gerber fájlt, vagy kattintson a Rendelés a JLCPCB-n gombra, az alábbi képen látható módon. Ez átirányítja a JLCPCB.com webhelyre, ahol kiválaszthatja a megrendelni kívánt NYÁK-k számát, hány rézréteget, a NYÁK vastagságát, a réz súlyát és még a NYÁK színét is, például az alább látható pillanatképet. További jó hír, hogy most az összes színes NYÁK-t ugyanolyan áron kaphatja meg a JLCPCB. Ezért úgy döntöttem, hogy az enyémet fekete színben kapom, csak valami esztétikai megjelenés érdekében, kiválaszthatja kedvenc színét.

Miután rákattintott a JLCPCB gombra a megrendelésre, eljut a JLCPCB weboldalára, ahol bármilyen színes NYÁK-t nagyon alacsony áron rendelhet meg, ami 2 dollár az összes színhez. Gyártási idejük szintén rövidebb, ami 48 óra 3-5 napos DHL szállítás esetén, alapvetően a PCB-ket a megrendeléstől számított egy héten belül megkapja. Sőt, 20 dolláros engedményt is kínálnak az első megrendelés szállításához.

A NYÁK megrendelése után ellenőrizheti a NYÁK előrehaladását dátummal és idővel. Ezt a Fiók oldalon keresztül ellenőrizheti, és a PCB alatt kattintson a "Gyártás előrehaladása" linkre, mint az alábbi képen látható.

Néhány napos PCB-k megrendelése után kaptam a PCB-mintákat szép csomagolásban, az alábbi képeken látható módon.

A Boost Converter NYÁK előkészítése

Amint a fenti képekből látható, a tábla nagyon jó formában volt, így az összes lábnyom és a viasz pontosan a kívánt méretben lesz a helyén. Tehát folytattam az összes SMD alkatrész forrasztását a táblán, majd az átmenő furatokat. Perceken belül a PCB készen áll a cselekvésre. Az én táblám az összes forrasztott alkatrésszel és az érme cellával az alábbiakban látható

Coin Cell Booster modul tesztelése

Most, hogy a modulunk be van állítva és táplálva, elkezdhetjük a tesztelést. A kártya megnövelt 5 V-os kimenete vagy az USB-portról, vagy annak közelében lévő férfi fejléc-tűről szerezhető be. A multiméteremmel mértem a kimeneti feszültséget, és mint látható, közel volt az 5 V-hoz. Ezért arra a következtetésre juthatunk, hogy a boost modulunk megfelelően működik.

Ez a modul már használható mikrokontroller táblák táplálására vagy más kis érzékelők vagy áramkörök áramellátására. Ne feledje, hogy a maximális áramerősség csak 200 mA lehet, ezért ne számítson rá, hogy nehéz terheket vezet. Örültem azonban, hogy Arduino és ESP tábláimat ezzel a kicsi és kompakt modullal tápláltam. Az alábbi képeken látható az Arduino és az STM tápellátását biztosító boost konverter .

Csakúgy, mint a korábbi kenyérlap-tápegység modul, ez az érmeelem-emlékeztető modul is hozzáadódik a készletemhez, hogy minden jövőbeni projektemben felhasználhassam őket, bárhova is szükségem van egy hordozható kompakt áramforrásra. Remélem, tetszett a projekt, és valami hasznosat tanult a modul felépítésében. A teljes munka megtalálható az alábbi videóban.

Ha bármilyen problémája van a dolgok működtetésével, bátran dobja be a megjegyzés rovatba, vagy használja fórumunkat egyéb technikai kérdésekre.